平凡中的不平凡，關於「熱縮冷脹」！

6/23/2021

在學理化時一定都聽過「熱脹冷縮」這個名詞，
但是你知道自然界除了熱脹冷縮外，
竟然有些物質是「熱縮冷脹」！
且還有物質同時擁有熱脹冷縮、熱縮冷脹，
快來看看吧~

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首先，讓我們先了解熱脹冷縮的意義，顧名思義就是一個物質受熱時會膨脹，受冷時會收縮，那反過來則是熱縮冷脹，即是受熱時收縮，受冷時膨脹囉！

這裡講一下體積的概念，體積其實可以分成兩個部分：
1. 物質中每個小分子本身的大小。
2.物質中每個小分子本身的活躍程度，越活躍的小分子所需要的空間就越大，所以體積就會越大；越不活躍的小分子所需空間就越小，體積就越小。

回歸主題，用一個簡單的概念敘述熱脹冷縮就是，每個物質中的小分子在接受到熱時，會更活躍，導致小分子不想安分地待在原本位置上，比較想要向各個方向活動，所以物質的體積就會變大！反之，熱縮冷脹就是小分子接受到熱反而更不活躍，比較想要睡覺(？)。所以活動的幅度較原先小，體積自然就會縮小！

講完原理後，大家應該可以理解，生活中大部分物質都是熱脹冷縮，只有極少物質是熱縮冷脹的。那這極少物質有哪些呢？有：銻(Sb)、鉍(Bi)、鎵(Ga)、青銅和水(H2O)等。

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銻(Sb)、鉍(Bi)、鎵(Ga)因為有熱縮冷脹的性質，使之應用在印刷工業上。早期印刷書刊的鉛字，因為鉛本身熱脹冷縮的特性，導致在澆鑄後，印出來的字會模糊不清而且不耐磨。這時在鉛裡面混和一些銻、鉍、鎵，可以有效的改善不清晰的問題同時又更耐用，可謂一舉兩得。

青銅則是因為熱縮冷脹的性質，使之成為一理想的雕塑材料，因為其受熱後會收縮，所以在澆鑄過後，雕像的稜角反而會更加突出、美觀。

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再來就是大家再熟悉不過的「水」，水看似平凡，其實可是有很大的不平凡之處呢！因為水同時有熱脹冷縮和熱縮冷脹，正因水擁有這樣的特質，海洋生物才能安然的生活，那麼水為什麼如此神奇呢？

這裡可以用一個簡單的例子說明，當水面的溫度由5℃到4℃時，此時水是熱脹冷縮的，因為4℃的密度較大，所以在水面的水會往下沉，水底的水往上跑，類似一個混和過程。當水面的溫度由4℃降至3℃時，此時水是熱縮冷脹的，所以水面的水密度較小，自然會維持在水面，不會像是5℃到4℃時的混和。這個過程會持續至0℃，此時水面的水開始結晶，變成固態的冰；而水底的水因為沒有混和關係，仍然在接近4℃的溫度，故結冰會從水面開始先結晶而非水底！